張小輝

（廣東冠粵路橋有限公司,廣東 廣州 511450）

0 引言

隨著我國道路建設地區(qū)不同氣候特點，經(jīng)多年國內(nèi)廣東地區(qū)路面出現(xiàn)的病害類型和特點，主要路面病害是由于凍脹因素，導致瀝青面層結(jié)構(gòu)力學性能下降，同時在車輛荷載作用下導致路面產(chǎn)生裂縫、車轍等不同程度的病害，根據(jù)我國現(xiàn)行瀝青路面規(guī)范和標準都是針對季冬地區(qū)普遍存在病害形式對路面建設提出的相關(guān)要求，但是由于廣東地區(qū)氣候特點和行車環(huán)境的不同采用合適的路面結(jié)構(gòu)層對于瀝青路面使用壽命至關(guān)重要，理論計算和實際環(huán)境、行車荷載存在實質(zhì)性偏差，也是導致路面結(jié)構(gòu)破壞因素之一[1]。

公路建設過程中遇到高差較大山區(qū)路段，需要設置較長路線縱坡，這種長大縱坡對于路面層結(jié)構(gòu)安全是非常不利的，與平坡路面結(jié)構(gòu)層受力不同，根據(jù)縱坡坡度大小不同，水平荷載系數(shù)差異也不一樣，根據(jù)不同應力分布、路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力導致路面結(jié)構(gòu)在縱坡路段更容易發(fā)生破壞。

1 長大縱坡瀝青路面損壞特點

分布于我國廣東、廣西、海南等炎熱潮濕南方地區(qū)，在不同地區(qū)氣候分布時間和特點也不相同，包括行車荷載、氣候環(huán)境條件、土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)、車流量、降水分布特點等，長大縱坡路段在車輛行駛條件、荷載應力結(jié)構(gòu)分布都很容易造成路面車轍損壞、裂縫破壞、擁包等，根據(jù)現(xiàn)有廣東軟土地區(qū)道路病害調(diào)查情況車轍破壞是主要的破壞形式，其次是路面裂縫破壞。因此，長大坡路面結(jié)構(gòu)壽命延長重點考慮車轍損壞和裂縫破壞。

1.1 路面車轍損壞

在南方降水較多地區(qū)路面車轍嚴重是普遍存在的路面損壞特點，就廣東地區(qū)來說車轍深度在3 cm以上，這種車轍對于行車安全性是非常不利的。由于車轍導致車輛的事故也較為常見，及時對車轍病害進行修復非常有必要，在設計階段如果能加強避免車轍結(jié)構(gòu)設計，可以很大程度節(jié)約后期瀝青路面的維修成本[2]。

1.1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)性車轍

結(jié)構(gòu)性車轍是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生永久變形破壞形成的破壞，在長大坡地段對于車轍產(chǎn)生會更加嚴重，在坡道受力特點影響和重車作用下增加了道路受力破壞程度。在長大坡路段車輛行駛過程中水平剪應力一般要比平坡路段大3～5倍，更容易出現(xiàn)車轍破壞。這種車轍破壞會形成兩側(cè)的擁包，也會產(chǎn)生拉裂破壞。這種擁包多數(shù)是由于軟土地基沉降造成的。

1.1.2 路面磨耗車轍

（1）路面磨耗車轍是南方最常見的道路破壞形式，在南方地區(qū)由于軟土路基、降水量大、溫度較高等都會導致路面出現(xiàn)磨耗型破壞，嚴重影響路面耐久性。

（2）瀝青路面計算分析是建立在力學基礎(chǔ)上，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的應變、應力、位移對路面安全性和耐久性進行分析，隨著時代進步，對于瀝青路面設計和驗算也在不斷地進行優(yōu)化，更加適合路面結(jié)構(gòu)設計的地區(qū)特點。

1.2 路面面層松散損壞

在季節(jié)性長大坡路段路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松散脫落也是較為普遍情況，碎石從瀝青表面脫落形成松散面層，同時影響車輛的安全性，導致路面剝落形成坑洞等，瀝青面層產(chǎn)生剝落，在水和冰凍作用下使瀝青結(jié)合層黏性變差，瀝青混合料力學性能變差，在水的作用下加劇路面結(jié)構(gòu)層的破壞。

2 長大縱坡路面荷載受力特點

和水平路面行車相比較，長大坡行車需要克服車輛自重引起的下滑力和摩擦力，地面和輪胎之間產(chǎn)生的滾動阻力，汽車爬坡需要克服重力坡道阻力和下滑力。根據(jù)我國現(xiàn)階段研究成果，縱坡不大于3%路段行車水平荷載系數(shù)小于0.17，增加安全系數(shù)后通常取值0.2進行計算，當縱坡大于3%或處在高溫等不利季節(jié)，水平力系數(shù)計算通常采用0.5進行計算。上坡汽車受力影響分析如圖1 所示。

圖1 汽車行駛在上坡路段受力分解圖

3 長大縱坡瀝青路面力學響應分析

路面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是車輛行駛荷載造成的，也是影響路面安全性的最重要因素之一。平坡路段與長大縱坡路面的受力有所不同，長大坡在車輛行駛過程中需要克服水平荷載和垂直荷載共同作用產(chǎn)生力，瀝青路面層在行車過程中受到的應變和結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力呈現(xiàn)不同的分布狀態(tài)，這種力學基礎(chǔ)也是季冬區(qū)長大縱坡受力分析的基礎(chǔ)。

3.1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)材料最常用的是瀝青混合料面層、無機結(jié)合料基層共同組成，材料性能受環(huán)境的影響直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的耐久性，路面結(jié)構(gòu)材料影響路面耐久性。因此優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)厚度是至關(guān)重要的，材料力學性能是非常重要因素，該文通過泊松比和彈性模量來研究路面材料的力學性能[3]。

3.2 路面結(jié)構(gòu)層的計算

路面結(jié)構(gòu)層的計算主要是研究路面應力分布特點，應變作用特點，在路面受力時，這時計算與道路實際完成狀態(tài)存在差異，此時假設路面為完全連續(xù)。在我國路面結(jié)構(gòu)力學響應計算通常采用標準混合料穩(wěn)定15 ℃計算模量，彎沉計算采用混合料20 ℃時計算模量。

4 瀝青路面長大縱坡設計要求

該次采用廣東省樂昌至廣州高速公路樟市至花東段路面工程路面結(jié)構(gòu)形式進行分析研究，高等級公路路面結(jié)構(gòu)設計通常采用三層結(jié)構(gòu)形式，瀝青混凝土面層、中面層和下面層，瀝青面層主要是用于保障道路行車舒適性和安全性的重要保證，因此在道路完成后運營通車，要求面層具有好的平整性、抗滑性能、較小車轍深度、較小裂縫等，路面不同混合料要求是保證路面施工質(zhì)量的重要保證。

（1）根據(jù)地理環(huán)境區(qū)域特點路面結(jié)構(gòu)的計算應力和結(jié)構(gòu)層應變特性是路面設計重要原則，使路面設計既符合瀝青路面設計規(guī)范，也要符合區(qū)域特點，在季冬長大坡路段地區(qū)需要滿足季節(jié)性冰凍環(huán)境和長大坡路面受力特點，對于路面耐久性具有重要的作用和意義。

（2）瀝青路面計算分析是建立在力學基礎(chǔ)上，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的應變、應力、位移對路面安全性和耐久性進行分析，隨著時代進步，對于瀝青路面設計和驗算也在不斷地進行優(yōu)化，更加適合路面結(jié)構(gòu)設計的地區(qū)特點。

4.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)層要求

在長大坡路段由于車輛荷載反復作用，受到自然環(huán)境影響和力學性能影響，將路面荷載傳遞至路面基層，路面磨耗層是車輛行駛安全的重要保證，在道路建設方面地區(qū)環(huán)境和建設經(jīng)驗也是重要的設計依據(jù)，需要滿足路面所處的環(huán)境條件、經(jīng)濟條件、交通條件等基本要求，路面的抗開裂性能、路面的抗滑性能、路面的高溫抗車轍性能、路面低溫抗裂性等都是終點需要考慮的路面指標。

路面結(jié)構(gòu)層需要滿足行車的耐久性、穩(wěn)定性要求，路面層結(jié)構(gòu)的承載力主要是由路面下基層和路面結(jié)構(gòu)上基層來承擔，無論什么結(jié)構(gòu)形式的瀝青路面都要求有很高的力學性能，用于抵抗車輛產(chǎn)生變形，這種用于抵抗路面變形會引起疲勞破壞，不管路面承受的水平荷載還是垂直荷載作用，都需要對路面進行精心的設計，嚴格控制施工質(zhì)量。

在路面結(jié)構(gòu)層和路基之間需要考慮凍融破壞因素，路基基層的拉應力在軟土地區(qū)作用尤其重要，由于路基的變形明顯，考慮不均勻沉降因素的影響，需要對路基進行防水處理，以確保路面結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。軟土地區(qū)路基需要進行加固或換填處理，保證路基的密實、均勻、穩(wěn)定，一般土路基回彈模量應大于40 MPa[4]。

4.2 混合料作用分析

4.2.1 表面層瀝青混合料

廣東地區(qū)路面結(jié)構(gòu)表面層的抗滑性能要求相對較高，尤其是長大縱坡路段路面表面抗滑性能要求更高，由于夏季雨水較多、溫度較高，道路的抗車轍性能和密水性和瀝青材料溫度特性密切有關(guān)，瀝青混合料碎石需要有較大的硬度，要有較好耐磨性能，考慮廣東地區(qū)雨水天氣對路面長期作用影響，一般不會采用開級配類型路面結(jié)構(gòu)層，最常采用改性瀝青SMA-13/16這種間斷級配路面結(jié)構(gòu)形式，這種級配結(jié)構(gòu)以粗骨料為主，對于路面抗滑性能改善作用明顯。

4.2.2 中面層瀝青混合料

中面層瀝青結(jié)構(gòu)混合料主要用來抵抗高溫車轍，南方地區(qū)路面的抗疲勞開裂、抗剪切性能、抗車轍性能也主要由中面層結(jié)構(gòu)承擔，因此中面層相對于上面層瀝青用量相對較小，骨料的含量和粒徑相對表面層較大，在最常用于高等級路面中面層結(jié)構(gòu)有改性瀝青AC-20和AC-25，同時也需要保證中面層結(jié)構(gòu)有較好的水密性，防止路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生泌水破壞。

4.2.3 下面層瀝青混合料

路面結(jié)構(gòu)下面層主要是用于預防路面上中面層產(chǎn)生破壞，保證上中面層路面結(jié)構(gòu)層抗車轍和抗疲勞性能，從功能性要求里面下面層承受較小的壓應力、拉應力和剪應力，在路面下面層同樣有著抗凍性能要求，還需要保證在特殊天氣情況下不產(chǎn)生較大的變形，在最常用的路面下面層結(jié)構(gòu)混合料有AC-25、ATB-25、ATB-30，不宜采用透水性結(jié)構(gòu)材料。

4.3 長大縱坡瀝青路面要求

在特殊地區(qū)路面設計根據(jù)不同受力特點需要專門設計，對于南方地區(qū)長大坡路段的荷載、氣候條件等都是路面設計過程中的難點，需要重點考慮單獨進行設計。

4.3.1 路面防開裂設置

半剛性路面基層在廣東地區(qū)最易產(chǎn)生裂縫病害，這種裂縫會通過下面層、中面層最終反射至表面層，這是由于無機結(jié)合料層有明顯溫縮影響，經(jīng)研究半剛性基層材料的溫縮性能和干縮性能都較大，主要以干縮性能為主，一般情況下無機結(jié)合料的干縮變形系數(shù)是溫縮變形系數(shù)的10倍。在不斷的溫縮和干縮作用影響下，導致基層開裂形成反射裂縫。目前國內(nèi)外采用以下幾種方法控制基層裂縫的產(chǎn)生[5]。

1）增加半剛性基層力學性能，增加強度和剛度，以減小收縮變形。

2）增加半剛性基層中粗級配含量減小粉塵含量，這樣有利于提高集料之間擠壓密實度，減少水的影響，增強基層的排水性能。

3）與瀝青面層接觸面增設封層和透層，隔絕上部水下滲至基層，必要時適當增設切縫。

4）增設碎石墊層隔絕地下水對路面基層的影響，減小凍融作用對基層影響。

近些年來為減少基層反射裂縫采取了一定措施，比如設置土工格柵、玻璃纖維格柵、應力層等效果顯著。

（1）設置應力吸收層。應力吸收層設置在路面底基層和路床頂面層，以提高路面結(jié)構(gòu)層的整體抗剪切性能和抗彎剛度，增加路面結(jié)構(gòu)受力的抗剪切和抗變形能力，可以吸收路面上部結(jié)構(gòu)傳遞來的荷載作用，應力吸收層還能起到隔絕地下毛細水，排出層間水的作用，實踐證明，對于保證路面結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要的作用，采用應力吸收層有效的避免了路床開裂帶來的反射裂縫。

（2）設置土工隔柵或玻纖隔柵。格柵結(jié)構(gòu)能抵抗路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的橫向裂縫，土工格柵和玻璃纖維格柵都是有較好的韌性，能提高路面結(jié)構(gòu)整體性，可以抵消部分路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應力，降低裂縫形成風險，最常用的格柵性能主要是用于抵抗路基路面的疲勞開裂、抵抗高溫產(chǎn)生車轍變形、抵抗低溫狀態(tài)下收縮裂縫、延緩路面結(jié)構(gòu)層反射裂縫發(fā)展。

4.3.2 設置路面防水層

廣東地區(qū)對路面結(jié)構(gòu)耐久性影響較大的就是高溫雨季對路基土體形成水害，為防止路基結(jié)構(gòu)滲水產(chǎn)生破壞，減小路基變形，保證在夏季多雨潮濕地區(qū)路面結(jié)構(gòu)層能夠抵抗水壞的影響，需要在路面結(jié)構(gòu)層和路基之間設置防凍層，最常用的防水層就是碎石墊層、底基層，部分地區(qū)地下水較發(fā)育需要增設防水土工膜進行隔絕地下水。抗凍墊層通常采用透水性較好，強度較高，受冰凍影響較小的材料，比如粗砂、砂礫、碎石、煤渣、礦渣等都可以作為抗凍隔離層使用。

5 結(jié)語

該文通過廣東地區(qū)長大縱坡瀝青路面設計、施工關(guān)鍵技術(shù)研究，分析總結(jié)得到以下結(jié)論：

（1）廣東地區(qū)多數(shù)地區(qū)存在較多的軟土地基，因此長大縱坡的設置需要考慮軟土地基影響，該文根據(jù)路面結(jié)構(gòu)特點，分析了長大縱坡路面結(jié)構(gòu)受力特點，主要有車轍損壞和路面松散破壞。道路存在高溫和水壞破壞的不良氣候條件，再加上長大縱坡的路面不利受力狀況，結(jié)合廣東地區(qū)路面受力特點和力學相應特點，長大縱坡是路面結(jié)構(gòu)容易破壞的重要因素。

（2）長大縱坡設置和施工關(guān)鍵控制技術(shù)都是針對路面結(jié)構(gòu)特點選用的，第4節(jié)從路面結(jié)構(gòu)層各個功能作用進行分析，從而有針對性的就長大縱坡路面病害特點進行分析研究，并提出采用設置隔離層、防凍層、土工格柵等措施來改善路面結(jié)構(gòu)的耐久性，減小路面結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生。